一文了解Redis集群及客户端设计原理
前言
Redis集群是一个由多个Redis实例组成的分布式系统，它可以极大提高系统的可用性和扩展性。与传统的主从复制相比，Redis集群具有更好的吞吐量、更稳定的性能和更好的数据一致性。Redis集群也是信也科技在生产环境中使用最多的redis架构。在这篇文章中，我们将深入探讨Redis集群的组成架构、工作原理和最佳实践，希望能为大家了解Redis集群提供有益的参考和指导。
redis集群介绍
架构概述
Redis集群采用了一种Master-Slave的模式，其中每个Master节点都有若干个Slave节点。所有的节点通过内部二进制协议进行通信。
当客户端需要操作某个key时，先将这个key哈希到一个槽位中，然后再将请求发送给负责该槽位的Master节点，Master节点根据自身的数据分配策略，将数据保存到本地或者向Slave节点进行复制, 如下图所示:
Hash Slot Diagram
客户端可以直接访问Master节点或者Slave节点进行读取操作，但只能通过Master节点进行写入操作。当某个Master节点失效时，集群会自动将该Master节点所有的槽位上的数据迁移到其他正常的Master节点上。
槽位分配
一个Redis集群中，默认使用16384个槽位，每个槽位可以容纳多个key-value键值对。当客户端访问某个key时，Redis会将该key计算得到一个槽位号，并将该key-value键值对存储在该槽位号所对应的Master节点上。在下面的示例中，键“foo”的Hash槽号为12182。然后，客户端将检查Hash映射表，以确定应连接到哪个分片。在我们的示例中，哈希槽号12182位于127.0.0.1:7002上的分片中。
Hash Slot Map Diagram
在Redis集群中，节点之间会周期性的进行槽位信息交换。每个节点会记录当前集群中所有槽位和对应的节点信息。当一个新的节点加入了集群，或者某个节点下线时，槽位信息就会发生变化，集群会自动将原先分配给该节点的槽位迁移到其他正常的节点上，从而保证整个集群的可用性。
故障转移
在Redis集群中，如果某个Master节点失效，那么它负责的槽位上的数据就会无法访问。为了防止这种情况的发生，Redis集群引入了从节点进行备份。当主节点失效时，从节点可以立即提升为新的Master节点，集群会将所有正在使用该Master节点的槽位上的数据迁移到新的Master节点上，从而实现故障转移。
同样， 在 Redis 集群架构下，Redis 客户端需要针对集群环境做出相应的设计，以充分利用集群的优势，并保持良好的性能和可靠性。
redis客户端设计
Redis 集群中客户端的工作原理是什么？
节点发现
在 redis 集群中，一个客户端连接到其中任意一个节点即可与整个集群进行通信。但是，在实际应用中，当集群的节点数量较大时，手动配置每个节点的 ip 地址和端口号将变得非常困难。因此，redis提供了一种自动发现节点的机制，以简化集群的管理。redis客户端节点发现的原理可以分为如下几步：
客户端向指定的 seed 节点发送请求，获取当前集群中的节点列表。seed 节点可以是集群中的任何一个节点，客户端可以通过主机名或 ip 地址和端口号来指定。 seed 节点返回当前集群中已知的所有节点的信息（包括 ip 地址、端口号和节点id）。 客户端从这个节点列表中选择一个节点作为连接目标，这个节点将成为客户端的“集群模式”下的节点（cluster node）。客户端与这个节点建立连接，并使用该节点作为代理，将请求路由到其他节点。 如果要添加或删除节点，则需要将新的节点添加到 seed 节点的列表中。这样一来，客户端就能够探测到新节点，并且可以使用它进行后续操作。
Redis Partitioning And Redis Cluster Local Setup
总之，redis客户端节点发现的原理就是客户端向任意一个节点请求节点列表，然后从中选择一个节点作为连接目标。这样一来，客户端就可以透明地与整个集群通信，而无需手动配置每个节点的ip地址和端口号。在需要添加或删除节点时，只需更新seed节点的列表即可，从而使客户端能够自动发现新节点。
执行请求
在 Redis 集群模式下，Redis 客户端需要使用一致性哈希算法来确定特定键值对应的节点，并将请求发送到对应的节点上进行处理。客户端与 Redis 集群中的每个节点建立连接，并动态地维护当前集群的状态信息
一致性哈希算法
为了满足在 Redis 集群多个节点之间分配数据负载的要求，Redis 客户端使用一致性哈希算法来确定特定键值所对应的节点。这种算法确保相同的键总是由同一个节点负责管理，而且当 Redis 集群增加或减少节点时，也能使负载较均衡地分布到各个可用节点上。一致性哈希算法可以有效地解决节点故障和增删问题而不会导致大量的键映射发生改变。
节点状态维护
为了正确地定位 Redis 集群中某个键值对应的节点，Redis 客户端与所有 Redis 节点建立 TCP 连接，并查询节点状态信息。如果一个节点进入 REDIS_CLUSTER_FAIL 状态，则无法执行写操作，但读操作仍可被执行；如果一个节点进入 REDIS_CLUSTER_MYMASTER 状态，则表示该节点是一个主节点，可以执行写操作并负责接受除配置外所有命令的调用。而其他的支持读操作的节点，负责接受被一致性哈希算法选择到的读命令。
客户端请求操作
一旦客户端确定了 Redis 集群中相应的节点，并与该节点建立连接成功后，客户端将向其发送相应的命令请求操作。当进行写操作时，客户端在执行之前会检查节点的状态并确保它是一个主节点，然后在发送写请求之前将其路由到对应的从节点上以避免数据丢失。当执行读取操作时，Redis 客户端直接向对应的从节点或主节点发出请求，并从响应中获取需要的键值数据。
综上所述，Redis 集群模式下，Redis 客户端使用一致性哈希算法来决定特定键值的存储位置，并通过查询每个节点的状态信息来得知当前集群的状态。一旦客户端确认节点状态正确后，就可以开始执行命令请求操作。这一流程可以有效地帮助 Redis 集群在高负载下正常运行，并且可以很好地容错处理节点故障和增删等操作。
错误处理
Redis 集群模式下，Redis 客户端需要具备相应的错误处理机制来保证系统的稳定性和可靠性。这些错误处理机制主要包括以下几个方面：
1. 自动的节点重新路由
在 Redis 集群中，一旦某个节点崩溃或者不可用，客户端将不再尝试与该节点通信，并自动重新路由到其他可用的节点上。
2. 故障转移
当 Redis 集群中的主节点宕机时，从节点会自动升级为新的主节点，以确保系统的可用性和稳定性。此时，Redis 客户端可能会遇到连接异常或无法进行写操作等问题，因此需要采取相应的故障转移策略。例如，可以使用 Redis Sentinel 或者 Redis Cluster CLI 工具来进行手动故障转移。
3. 多节点容错处理
Redis 客户端在连接集群时，可能遇到某些节点无法连接或响应较慢的情况，这时候需要考虑多节点容错处理。例如，可以设置一个超时时间，在超时后重新发起连接请求，或者选择其他节点进行重试。
4. 错误信息反馈
如果 Redis 客户端在执行请求时出现错误，需要及时反馈给应用程序来防止错误的扩大化。Redis 客户端可以记录错误信息，例如错误码、错误信息和堆栈跟踪等，以便快速诊断和解决问题。综上所述，Redis 客户端在集群模式下需要考虑多种错误处理机制，例如自动节点重新路由、故障转移、多节点容错处理及错误信息反馈等。这些机制能够保证 Redis 集群的稳定性及可靠性，在生产环境下非常重要。同时，需要注意合理设置超时时间并控制异常情况的发生率，来减轻客户端的负担。
总结
Redis是一个高性能的内存数据存储系统，本文介绍了Redis架构和客户端工作原理两个方面的知识点。
首先，文章详细阐述了Redis的槽位分配原理。Redis将数据分割成16384个槽位，采用一致性哈希算法将key映射到相应的槽位上，并将槽位映射到不同的节点上，实现了负载均衡和高可用性。
最后，Redis 客户端的连接设计需要先进行节点发现，然后根据约定好的一致性 Hash 算法找到对应节点并执行请求。如果遇到了错误，客户端需要重新连接 Redis 集群，并采用相应的错误处理策略来保证整个系统的稳定性。
综上所述，本文旨在帮助读者全面了解Redis 集群和客户端的工作原理。同时，我们也十分期待读者的反馈，希望您可以为我们的文章提出宝贵意见和建议，让我们的内容能够更加优秀、易于理解。
作者
terry 信也科技 基础架构研发专家
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